1. Двотактні двигуни з гільзовим газорозподілом Даний клас двигунів з гільзовим газорозподілом досліджувався,...
2. штокової газорозподіл

Двотактні двигуни з гільзовим газорозподілом

Даний клас двигунів з гільзовим газорозподілом досліджувався, перш за все, для авіації, але отримані результати виявилися набагато ширше тих завдань, для яких вони спочатку ставилися.

У цьому розділі мова піде, перш за все, про дизельних двигунах, для яких двотактний цикл цілком виправданий з точки зору економічності. Звичайно, і бензинові версії мають право на існування, але тільки ті з них, де паливо також як і в дизелях подається прямо в циліндр. Однак ці системи мають масу обмежень; безпосереднє уприскування, або скажімо компресорний впорскування бензину - самі по собі досить складні, при цьому не треба забувати, що їх застосування лише наближає експлуатаційні витрати на паливно-мастильні матеріали до бензиновим чотиритактним моторів, а по економічності їм ніколи не наблизитися до дизелів.

Почавши роботи зі створення двотактних двигунів з гільзовим газорозподілом в лабораторії, якою на той час керував Г.Р.Рікардо, було вирішено використовувати весь накопичений матеріал, отриманий при дослідженні чотиритактних двигунів. У двотактному варіанті рух гільзи відповідає швидкості обертання колінчастого вала, і гільза може в результаті цього приводиться прямо від ексцентрика, розташованого на колінчастому валу (Рис.1). Крім того, в двотактному варіанті для управління вікнами (Рис.2) потрібно тільки зворотно-поступальний рух гільзи, хоча для здійснення кращої мастила абсолютно необхідна певна невелика обертання її; це обертання забезпечувалося введенням хитається важеля з точкою опори між ексцентриком і кульовим шарніром.

З дослідів знайдено, що задовільний поширення масла зазвичай досягалося за умови, що мала вісь еліпса дорівнює не менше 20% великий.

Повітря в двигун впускали через кругової пояс вікон, розташованих внизу гільзи, вікна відкривалися поршнем близько НМТ випуск проводився через інший пояс вікон близько верхнього кінця гільзи. В результаті цього забезпечувалася прямоточная продування, причому випуск керувався однією гільзою, а впуск поршнем. Аналіз геометрії механізму показав, що найбільш сприятливе співвідношення між ходом поршня і ходом гільзи виходило, коли останній був дорівнює 30% першого.

Будь-яке збільшення ходу гільзи забезпечувало б велику площу випускних вікон, але зменшену площу впускних, і навпаки.

У звичайній конструкції двотактного двигуна ефективна довжина поршня повинна бути трохи більше ходу для того, щоб вікна не могли взаємодіяти з картером. У двигуни з гільзовим газорозподілом, оскільки гільза рухається майже відповідно руху поршня за вирахуванням ходу гільзи; тому його довжина повинна бути дорівнює приблизно 70% ходу поршня. Як щодо конструкції, так і габаритів взагалі, це дуже важлива перевага.

Спочатку двотактний двигун був виготовлений за образом і подобою чотиритактного, тільки на впуску був встановлений продувочний компресор, що забезпечує надлишок повітря в двигун з φo = 1.3. З першого пуску установка показала хороші показники: був отриманий мінімальний витрата палива ge = 168 г / л.с.ч (229 г / кВт.год). При цьому, на такий же чотиритактної установці, з рівними умовами роботи: ge = 161 г / л.с.ч (219 кВт.год).

Як і слід було очікувати, дуже скоро з'явилися і перші несправності, головними з яких були такі:

1. Дуже швидко закоксовивается кільця головки циліндра;
2. Температура поршня була дуже високою, що призводило до залягання і втрати пружності поршневих кілець;
3. Масло по зовнішній поверхні гільзи не могло проходити через проміжок в стінці циліндра, утворений впускним поясом;
4. Дуже швидко зношувалися підшипники поршневого пальця, як в поршні, так і в шатуне.

Перша з несправностей була усунена установкою кульового з'єднання зі сферичним кінцем шатуна замість звичайного поршневого пальця і ​​охолодженням поршня потоком масла, що подається вгору і вниз по шатуну і циркулюючого з високою швидкістю безпосередньо під днищем поршня (рис 3).

Несправності з мастилом зовнішньої поверхні зовнішньої поверхні гільзи були усунені установкою лубрикатора місцевої мастила, яке живить маслом кільцеву канавку в корпусі циліндра вище впускного пояса вікон, з дуже незначною кількістю подаваного масла. Головною проблемою, однак, було проблема з кільцями

головки, так як вони закоксовивается вже після декількох годин роботи на повному навантаженні. У двотактному двигуні з гільзовим газорозподілом кільця головки циліндра знаходяться в таких же важких умовах роботи, як і поршневі кільця двотактного двигуна, з регулюванням відкриття випускних вікон поршнем, тобто вони піддаються сильному ерозійними впливу гарячих випускних газів з високим тиском через краю поршня або його днище, а також впливу скупчення частково закоксовавшіеся масла, соскобленную з кромок випускних вікон. Кільця головки знаходяться в гірших умовах ще тому, що вони не мають активного руху гойдання, як в поршні. Всі маніпуляції з поліпшенням тепловідведення цій частині головки нічого не дали і, після декількох років безплідних спроб поліпшити становище, було вирішено повністю відмовитися від колишньої конструкції і перейти на варіант гільзи без верхнього ряду вікон (Рис.2). Вважаючи, що ущільнення від прориву газів буде забезпечено самої гільзою.

Конструкція виявилася на рідкість вдалою і вперше дозволила провести 50 годинні випробування на міцність при повному навантаженні. При діаметрі гільзи 140 мм, її діаметральний зазор міг становити навіть 0,2-0,254 мм, перш ніж порушиться ущільнення гільзи. При великих зазорах пуск двигуна ставав вже практично неможливим. У межі, виявлялося руйнування гільзи під впливом надмірного робочого зазору через розвиток дрібних тріщин у крайньої верхньої кромки гільзи. Що відбувається від надмірного температурного напруги, що далі призводить до витоку газу з подальшим обгорання верхньої кромки гільзи. Верхній кінець гільзи розширюється, утворюючи форму розтруба, до тих пір, поки не обраний весь зазор. Потім віддача теплоти в стінки циліндра стабілізує температурні умови, але оскільки теплова ємність гільзи вкрай невисока, а інтенсивність потоку теплоти, особливо коли мають місце витоку, дуже велика - гільза починає прогорати.

Зазначені випадки вирішуються застосуванням допустимих зазорів в рамках звичайних виробничих допусків. Гільза ж з відкритим кінцем мала як мінімум три очевидних переваги:

1. Допускала значне зменшення загальної висоти циліндра і головки і, що допускало значне зниження висоти двигуна.
2. Дозволяла здійснити випуск по всьому колу гільзи замість 80%, які були максимально допустимими при застосуванні гільзи з вікнами.
3. Оскільки гільза рухається майже відповідно до поршнем і оскільки її відкритий кінець піддається впливу тиску газу в циліндрі, вона утворює кільцевий поршень, який трохи збільшує потужність. У практиці площа цього кільця складає близько 10% від площі поршня, а оскільки хід гільзи становить близько 30% ходу поршня, отже, гільза додатково дає близько 3% індикаторної потужності двигуна, остання передається через ексцентрик на колінчастий вал.

Хороші результати були отримані і при використанні пари блок - гільза з матеріалів відповідно: алюміній - аустенитная азотований сталева гільза, у якій коефіцієнт теплового розширення був приблизно на 50% більше, ніж у гільзи з вуглецевої сталі. Тверда азотований поверхню гільзи майже не піддавалася зношування. Рівень форсування цього двигуна, відповідний 47 к.с. на літр з камерою згоряння типу «ліппед-вортекс» був цілком задовільним для двигуна із запалюванням від стиснення.

Регулювання по витраті масла якщо підтримувалося на рівні не менше 0.0114 л.с.ч., то зношування канавок поршневих кілець було зовсім незначним. В цілому ж механічний ККД двотактного двигуна (виключаючи роботу на привід нагнітача) відповідав 90%. Встановлювана ж на двигун азотований гільза мала термін служби на двотактному моторі до 4000 годин, що є дуже хорошим показником і для сучасних силових установок промислового застосування ... ».

суб'єктивна реальність

Всього в Англії двигунів з гільзовим газорозподілом для потреб тільки авіації було випущено з 1935 по 1945 р.р. сумарною потужністю понад 200 000 000 л.с. Причина подальшого «забуття» комплексна, і ховається не, скільки в конструкції моторів (їх показники перевищували існуючі чотирьохклапанні двигуни, а деякі конструкції перевершують їх і досі), скільки в «історичної несправедливості».

Рікардо не пощастило точно так же, як не пощастило в Німеччині Хуго Юнкерс з його двотактними двигунами і окремо з компресорним уприскуванням і Баландіна з його безшатунного двигунами в Росії. Причина - відмова авіації від поршневих машин, з викиданням їх на «смітник» разом з усіма провідними вченими, які працювали в цій галузі. Все машинобудівні заводи були завантажені своєю продукцією, і їм ніякого діла не було до авіаційної промисловості з її напрацюваннями, переважаючими за рівнем розвитку машинобудування як мінімум на 50 років. Як і на того, хто там працював. «Пенсіонерние» вчені зі світовими іменами були всім тільки перешкодою. Правди заради слід зазначити, що двигуном Юнкерса «більше повезло», він дістався країні-визволительці з повним комплектом документації і всього технологічного обладнання, вивезеного після війни з Німеччини. І тепер, а точніше до сих пір все Харківські танки типу Т-64, Т-72 з двигуном 5ТДФ насправді обладнуються НЕ дизелями конструкції А.Д.Чаромского, а ЮМО-205 - конструкції Юнкерса, розроблених ще в 1932 р Якщо б в якості трофеїв дісталися не заводи Юнкерса, а скажімо заводи від Рікардо, то зараз на наших танках виразно стояли б двигуни з гільзовим газорозподілом.

Звідси зрозуміла і надсекретність багатьох інститутів з їх «чудовими проектами», адже їх основа часто-густо - наклепиваніе свого імені на чужу інтелектуальну власність. І навіть в кінцевому підсумку неважливо, чия вона, закордонна, або своя місцева - вирощена вдома. Вся управлінська система від верху до низу, закінчуючи директором будь-якого рангу, складалася з орденоносців з величезною кількістю винаходів і наукових праць, повзаімствованних, в тому числі і у своїх власних співробітників, що облагороджують імідж начальників, так би мовити за скоринку хліба. Тому ж, хто дійсно щось створював в цьому житті, частіше не вистачало місця навіть в графі співавторів. Якщо ти проти, твоє місце - за воротами. Подібна справедливість не могла вічно існувати, і звичайно, вона звалилася. Та й як може бути інакше, в країні, де майже всі крадуть і кращий лозунг: халяви багато не буває, створювати інститути інтелектуальної власності, все одно, що скликати інститут шляхетних дівчат в борделі, ... але втім, ми сильно відволіклися від спочатку заданої теми.

Починаючи з цього місця історичне оповідання, плавно перейде в творче русло. Кілька цитат з публікацій - відгуків деяких вчених теж не завадять, зрозуміло, вони вже застаріли (відгуки звичайно), але краще нехай будуть, ніж зовсім нічого. Ось що дійшло до нас з приводу золотникового газорозподілу в книзі: «Конструкція і розрахунок поршневих і комбінованих двигунів», в розділі присвяченій гільзового газорозподілу представленої під редакцією проф. Орліна в 1972 р .:

«... Золотниковое Одногільзовий газорозподіл має наступні переваги в порівнянні з клапанним.

1. Можливість здійснення більшого час-перерізу при тих же фазах газорозподілу, що сприяє поліпшенню очищення і наповнення циліндрів.
2. Менше нагрівання заряду в каналах і менші гідравлічні втрати, також збільшують наповнення циліндрів.
3. Примусове рух золотників, які не потребують регулювання внаслідок постійної кінематичного зв'язку золотників з колінчастим валом; при цьому зменшуються динамічні навантаження на ланки газорозподільного механізму, що обумовлює можливість підвищення швидкості обертання валу.
4. Безшумність роботи.
5. Можливість застосування підвищеного ступеня стиснення в карбюраторних двигунах без побоювання появи детонації, так як немає розпечених випускних клапанів.

штокової газорозподіл

Якщо цей тип газорозподілу не "дай бог прироблять» до двигуна внутрішнього згоряння, то останній проживе ще зайві років тридцять-сорок. І тоді точно чергу «роторно-хвильового двигуна» не настане, так як на той час людство вже придумає, як обійтися без машин ... або машини придумають, як обійтися без людства.

Зайнятися впритул цією темою притягувала привабливість безшатунного двигунів внутрішнього згоряння. В її непересічної кінематичній схемі в очі завжди кидався один дуже серйозний недолік. Все безшатунного двигуни були під стать зіркоподібним моторам, у яких до кожного циліндра йшов окремий привід газорозподілу. Стирчать на всі боки клапанні коробки з'їдали майже всі переваги безшатунного двигунів в плані габаритів. Цей серйозний недолік завжди замовчувався С.С. Баландіним - творцем перших вітчизняних безшатунного двигунів. Ну, раз не можна відмовитися від газорозподілу в принципі, то хотілося хоча б його привід розмістити якомога ближче до колінчастого валу. Система гільзового газорозподілу Рікардо в принципі вирішувала цю проблему, але теж була надзвичайно недосконала і захаращена великою кількістю «зайвих деталей». Що, до речі також вплинуло на прийняття радикального рішення - відмовитися від такого приводу спільно з гільзовим газорозподілом. Це й не дивно, адже використовувався привід гільз від моменту своєї появи до того моменту, коли від нього зовсім відмовилися, так і залишився з інтелектом від 1922 року народження. Трохи нижче ми обов'язково поговоримо і про його модернізації - постараємося виправити, так би мовити історичну несправедливість.

Але для початку, як це годиться, поставимо перед собою завдання, так само, як це робив колись Г.Р. Рікардо - робив порівняльний аналіз і брався за втілення чергового задуму ... Останнім нам точно не загрожує, тому що в нашому суспільстві завдання тільки ставляться, але ніколи і ніким не виконуються.

... Перейдемо до аналізу.

Позитивні якості (яке існувало) гільзового газорозподілу:

1. Сприятлива форма камери згоряння не захаращена клапанами - представляє велике поле для оптимізації робочого процесу.
2. Безшумність роботи.
3. Створення великих прохідних перетинів каналів газорозподілу з великою швидкістю їх відкриття і закриття (в чотиритактних моторах до 25%; в двотактних до 80% площі поршня).
4. Короткі шляху потоку газів.
5. Скорочення висоти двигуна на 10-15%.
6. Дозволяє значно скоротити втрати на тертя в двигуні або, що те ж саме - збільшити механічний ККД силової установки.
7. Зменшені теплові втрати в головку циліндрів.

Недоліки систем (старих конструкцій) гільзового газорозподілу:

1. Велика вага - обмежує максимальні оберти двигуна.
2. Розташований не в центрі мас привід гільзи.
3. Механізм руху для приводу гільз дуже складний.

Переваги клапанного газорозподілу:

1. Висока герметичність під час роботи двигуна.
2. Нерухомість ущільнювального контуру під час роботи при високому тиску і температурах.

Недоліки клапанного газорозподілу:

1. Велика складність, особливо при чотирьохклапанний голівці.
2. Підвищена тепловіддача в головку циліндрів і наявність «гарячих зон» в камері згоряння призводять до появи зон передчасного займання - детонації (справедливо для бензинових двигунів).
3. Обмежена пропускна здатність, при двох клапанах 16% від площі поршня. При чотирьох клапанах - до 25%.
4. Підвищена гучність.
5. Збій фаз газорозподілу (особливо в дизелях) призводить двигун в неробочий стан.

З'єднати воєдино переваги і гільзового і клапанного механізмів - як раз для цього і призначений шторковимі механізм газорозподілу.

Конструктивно це буде виглядати наступним чином: сталева тонкостінна гільза по периметру в 360 ° набирається з окремих секторів - шторок. При звичайному газорозподілі досить і двох секторів, по ~ 180 кожен. Один керує впусканням, а другий випуском.

На Внутрішній поверхні циліндра (Рис.5) шторки в статичному стані утрімуються упором один в одного, (мінімальній тепловий зазор залішається) - Сейчас принцип фіксації аналогічній фіксації за типом «хвоста». Крім цього для «разжіманія» шторок до стінок циліндра покликані поршневі кільця і ​​власне сам поршень. При працюючому моторі сюди ще додадуться газові сили.

Мал. 5

Кожна шторка може управлятися окремо за допомогою:

1. Примусового десмодромного приводу з зупинкою шторки в крайніх положеннях.
2. Кулачкового приводу з установкою шторки в крайніх положеннях.
3. Примусового приводу з безперервним зворотно-поступальним рухом шторки.

• Перші два приводних механізму містять кулачкові розподілвали, останній ексцентриковий вал.
• Привід шторок може проводитися з будь-якого боку підстави циліндра, в тому числі і з боку головки (Рис.5).

Тепловий зазор шторковимі механізму може перебувати в межах звичайних допусків циліндро-поршневої групи. При матеріалі блоку з кремнисто-алюмінієвого сплаву і гільзи з аустенітної сталі, сумарний зазор в парі шторки - блок складе: 0.0001-0.00005D циліндра. Розрахунки показують, що при такій конструкції органів газорозподілу площа прохідного перетину впускних каналів для чотиритактного двигуна може досягати 33-38% (випускних 25-27%) від площі поршня. Така величина прохідного перерізу не досяжна ні в одному приводі газорозподілу чотиритактних моторів, вона знімає лімітування по прохідному перетину газів через органи газорозподілу до середньої швидкості поршня 21-24 м / сек замість 10-12 м / сек, і це при граничній швидкості повітря на впуску - 64 м / сек (максимальна допустима швидкість знаходиться в районі 120 м / сек).

Збільшення середньої швидкості поршня призведе до збільшення сил інерції в механізмі газорозподілу, для шторковимі механізму і це преодолимое перешкода .. Наприклад шторка, виготовлена ​​з хромонікелевої сталі, при товщині всього в 1.2 мм під діаметр поршня 92 мм буде важити 150-170 грам. Для такого ж циліндра, вага впускного клапана в зборі з клапанної пружиною, тарілкою і сухариками складе 207 грам.

Що в даному випадку, і з усією очевидністю проглядається:

1. Тонкостінна шторка незалежно від зносу завжди буде притискатися до циліндра облягаючи його з внутрішньої сторони. Їй не загрожує втрата стійкості і розвиток мікротріщин на крайках через відсутність знову таки напруг форми і відповідно термічних напружень.
2. Шторковимі привід можна розмістити в підставі циліндрів, при цьому головка циліндрів набуває форму «плоскої кришки».
3. При відсутності верхнього ряду вікон впускная і випускна кромка шторок стають лінійними. Це дозволить знизити висоту будь-яких існуючих тронкових двигунів (з приводом розташованим в підставі циліндрів) на 25-30% !!!, що зменшить висоту двигуна в значно більшому ступені, ніж може дати навіть безшатунного силовий механізм.
4. Поломка шторки, або її приводу, не виведе двигун з робочого стану. Максимум неприємностей - відключиться тільки один робочий циліндр.

Необхідно сказати декілька слів і про зазорах по лінії стику шторок. Прорив газу в підпоршневу простір неминуча річ, з цим треба просто змиритися. Розрахункова площа зазорів від стику полусекторов знаходиться в розумних межах і становить приблизно 10-15% від площі зазору поршневого кільця.

Наступний, насправді найбільш важливий момент полягає у виборі приводу шторок. Який з типів приводу може бути найкращий: безперервного або переривчастого дії. Перший тип приводу має на увазі безперервне зворотно-поступальний рух шторок від ексцентрикового валика з числом оборотів вдвічі менше числа оборотів колінчастого вала. Другий тип приводу має на увазі установку кулачкового распредвала, або десмодромного механізму, що майже одне і теж. При прагненні стиснути всю конструкцію до мінімуму із забезпеченням максимальної герметичності більше підійде десмодромного механізм, крім цього, він дозволяє використовувати одну дуже важливу перевагу клапанного приводу - нерухомість ущільнювального контуру під час роботи при високому тиску і температурі. Для отримання ж максимальної надійності, зниження величини механічних втрат - для цього краще скористатися ексцентриковим приводом.

Варто напевно ще раз повернутися до місця з'єднання: поршень-гільза-циліндр і поговорити про деякі аспекти цього з'єднання, так як основна частка критики (якщо не дати розумного обгрунтування) буде направлена ​​в цьому напрямку. Як уже згадувалося, в двотактних двигунах Рікардо робилися багаторічні невдалі спроби побудувати двотактний двигун за тією ж схемою, за якою будувалися і чотиритактні двигуни з гільзовим газорозподілом. Лише досконалий швидше від "відчай" ризикований крок - перехід на привід гільзи без верхнього ряду поршневих кілець дозволив цього класу машин успішно пройти пятідесятічасовие моторні випробування і, в подальшому без нарікань відпрацювати повну програму випробувань в кількості 4000 мотогодин. Нагадаємо, що верхні кільця, розташовані в голівці блоку, дуже швидко закоксовивается. Причина полягала в тому, що набагато більш висока теплонапряженность двотактного двигуна в порівнянні з чотиритактним, в поєднанні з тим, що газорозподільні вікна постійно перетинають лінію кілець накопичуючи в своїх пустотах масло, призводить до дуже швидкого закоксовування поршневих кілець головки циліндрів. Та й взагалі, говорити про те, що такий двигун буде задовольняти сучасним екологічним показникам по димності, і за вмістом у ньому парів масла, де їх значна частина змушена через наявність вікон в гільзі потрапляти в проточну частину двигуна на лінію стиснення і розширення не доводиться.

Відмова в двотактному варіанті від верхнього ряду кілець дозволив Рікардо зменшити загальну кількість поршневих кілець вдвічі, що також посприяло підняттю механічного ККД двигуна до 90%. А це дуже високий показник. Але з'явилася ще одна дуже неприємна і суттєва деталь, на зношеному від часу двигуні доводилося перед запуском впорскувати в камеру згоряння густе масло, чому? Гільза здійснюючи руху треться, в тому числі і тильною стороною об поверхню блоку, ну а раз є тертя, значить з часом повинен утворитися і знос. Що відбувається далі, зазор між гільзою і циліндром в міру зносу цієї пари тертя зростає, відповідно герметичність ущільнення зменшується - пружність нерозрізний гільзи не дає їй притиснутися до циліндра під час пуску. Це вже потім розширюються продукти згоряння виконають цю роботу .... З цим нерозв'язним протиріччям двотактний двигун так і залишився в тих далеких сорокових-п'ятдесятих роках минулого століття. Тобто ця схема вирішила проблему поршневих кілець головки блоку, прибравши їх повністю в двотактному варіанті, але породила нову проблему - відсутність герметичності камери згоряння в момент її запуску.

Зробивши "хірургічну операцію гільзі" - розрізавши її поздовжньо, можна бути впевненим, що половинки гільз при будь-якому розкладі завжди будуть притиснуті до поверхні блоку, що вже добре, тепловіддача шторок буде стабільна в будь-який момент часу. Установка за шторками нижче лінії вікон маслосбрасивающего кільця вирішить проблему підвищеної витрати масла. Піднімаючись з під маслос'емного кільця вгору шторка буде нести масло тільки на хонинговальной сітки, нанесеної з її зовнішньої поверхні. Відсутність газорозподільних вікон перетинають кільця, як і відсутність самих кілець в голівці кардинально вплине на зниження витрати масла до будь-якого прийнятного рівня, і повністю вирішить проблему підвищеної витрати масла цього типу двигунів. Підсумовуючи сказане, можна констатувати, що штокової газорозподіл як швидше за все різновид гільзового газорозподілу усуває основні протиріччя властиві двигунів з гільзовим газорозподілом.

Сторінками - volnovoidvigatel.ru